A*算法——启发式路径搜索

A*是一种路径搜索算法,比如为游戏中的角色规划行动路径。

1. 输入

A* 算法的输入是,起点(初始状态)终点(目标状态),以及两点间所有可能的路径,以及涉及到的中间节点(中间状态),每两个节点间的路径的代价

一般还需要某种启发函数,即从任意节点到终点的近似代价,启发函数能够非常快速的估算出该代价值。

2. 输出

输出是从起点到终点的最优路径,即代价最小。同时,好的启发函数将使得这一搜索运算尽可能高效,即搜索尽量少的节点/可能的路径。

3. 公式

f(n)=g(n)+h(n)

f(n) 是从初始状态经由状态n到目标状态的代价估计

g(n) 是在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价

h(n) 是从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价

4. 搜索算法

A*算法是从起点开始,检查所有可能的扩展点(它的相邻点),对每个点计算g+h得到f,在所有可能的扩展点中,选择f最小的那个点进行扩展,即计算该点的所有可能扩展点的f值,并将这些新的扩展点添加到扩展点列表(open list)。当然,忽略已经在列表中的点、已经考察过的点。

不断从open list中选择f值最小的点进行扩展,直到到达目标点(成功找到最优路径),或者节点用完,路径搜索失败。

算法步骤:

1)  把起点加入 open list 。
2)  重复如下过程:
    a.     遍历 open list ,查找 F 值最小的节点,把它作为当前要处理的节点。
    b.     把这个节点移到 close list(已经考察过的节点列表) 。
    c.     对当前节点的所有邻近节点
        ◆     如果它是不可抵达的或者它在 close list 中,忽略它。否则,做如下操作。
        ◆     如果它不在 open list 中,把它加入 open list ,并且把当前方格设置为它的父亲,
              记录该方格的 F , G 和 H 值。
        ◆     如果它已经在 open list 中,检查这条路径 ( 即经由当前节点到达它那里 ) 是否更好,
              用 G 值作参考。更小的 G 值表示这是更好的路径。如果是这样,把它的父亲设置为
              当前方格,并重新计算它的 G 和 F 值。如果你的 open list 是按 F 值排序的话,
              改变后你可能需要重新排序。
    d.     停止,当你
        ◆     把终点加入到了 open list 中,此时路径已经找到了,或者
        ◆     查找终点失败,并且 open list 是空的,此时没有路径。
3)  保存路径。从终点开始,每个方格沿着父节点移动直至起点,这就是你的路径。

参考

A* 算法步骤的详细说明请参考 A*寻路算法,它包含图文案例清楚的解释了A*算法计算步骤的一些细节,本文不再详细展开。

5. 为什么A能够快速找到最优路径*

看一下上面参考文档中的案例图,最终搜索完成时,蓝色边框是close list中的节点,绿色边框是open list中的节点,每个方格中三个数字,左上是f(=g+h),左下是g(已经过路径的代价),右下是h(估计未经过路径的代价)。蓝色方格始终沿着f值最小的方向搜索前进,避免了对一些不好的路径(f值较大)的搜索。(图片来自A*寻路算法

6. 启发式函数

现在我们可以理解,A*算法中启发函数是最重要的,它有几种情况:

1) h(n) = 0
一种极端情况,如果h(n)是0,则只有g(n)起作用,此时A*演变成Dijkstra算法,这保证能找到最短路径。但效率不高,因为得不到启发。

2) h(n) < 真实代价
如果h(n)经常都比从n移动到目标的实际代价小(或者相等),则A*保证能找到一条最短路径。h(n)越小,A*扩展的结点越多,运行就得越慢。越接近Dijkstra算法。

3) h(n) = 真实代价
如果h(n)精确地等于从n移动到目标的代价,则A*将会仅仅寻找最佳路径而不扩展别的任何结点,这会运行得非常快。尽管这不可能在所有情况下发生,你仍可以在一些特殊情况下让它们精确地相等(译者:指让h(n)精确地等于实际值)。只要提供完美的信息,A*会运行得很完美,认识这一点很好。

4) h(n) > 真实代价
如果h(n)有时比从n移动到目标的实际代价高,则A*不能保证找到一条最短路径,但它运行得更快。

5) h(n) >> 真实代价
另一种极端情况,如果h(n)比g(n)大很多,则只有h(n)起作用,A*演变成BFS算法。

7. 更多讨论

关于启发函数h、Dijkstra算法、BFS(最佳优先搜索)算法、路径规划情况下启发函数的选择、算法实现时List的数据结构、算法变种等等更多问题,请参考:A*算法

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